一种多通道信号转换器论文和设计

全文摘要

一种多通道信号转换器，属于数据采集技术领域，包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器和电源系统；数字量输入模块和模拟量输入模块分别通过串口信号线与串口服务器相连，将采集的数据转换为串口信号；数字量输出模块和模拟量输出模块分别通过串口信号线与串口服务器相连，将获得的串口信号转换为对应输出信号输出；串口服务器通过以太网线与以太网路由器相连，以将串口信号转换为以太网信号；电源系统用于提供电力能源。本实用新型结构合理，运行稳定，功能丰富，维护简易，具备高度的集成化，可在海洋大型模拟实验体系中用于对多路传感器数据的采集以及体系中结构单元的控制。

主设计要求

1.一种多通道信号转换器，其特征在于：包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器和电源系统；所述数字量输入模块和模拟量输入模块分别通过串口信号线与串口服务器相连；数字量输入模块用于同时采集多路数字量信号并转化为串口信号，模拟量输入模块用于同时采集多路模拟量信号并转化为串口信号；所述数字量输出模块和模拟量输出模块分别通过串口信号线与串口服务器相连；数字量输出模块用于将串口信号转化为数字量输出信号，并同时输出多路数字量信号；模拟量输出模块用于将串口信号转化为模拟量信号，并同时输出多路模拟量信号；所述串口服务器通过以太网线与以太网路由器相连，以将串口信号转换为以太网信号；所述以太网路由器用于连接网络中串口服务器模块；所述电源系统通过电源线与数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器相连，电源系统用于提供电力能源；所述数字量输入模块包括数字量输入电路、隔离电路、控制器、看门狗电路；数字量输入电路用于同时采样多路数字量信号，支持开关触点信号和电平信号输入；数字量输入电路的输入端口连接外部输入信号线，数字量输入电路的输出端口通过信号线与隔离电路的输入端口相连，隔离电路的输出端口与控制器的通用IO端口相连，控制器用于将数字量信号转化为串口信号输出，看门狗电路与控制器的复位端口相连；所述数字量输出模块包括数字量输出电路、隔离电路、控制器、看门狗电路；数字量输出电路用于同时输出多路数字量信号，数字量输出电路的输出端口连接外部信号输出线，数字量输出电路的输入端口通过信号线与隔离电路的输出端口相连，隔离电路的输入端口与控制器的通用IO端口相连，控制器用于将串口信号转化为数字量输出信号，看门狗电路与控制器的复位端口相连；所述模拟量输入模块包括模拟量输入电路、多路选择器、滤波电路、模数转换电路、隔离电路、控制器、看门狗电路；模拟量输入电路用于同时采样多路模拟量信号，模拟量输入电路的输入接口支持差分输入和单端输入；模拟量输入电路的输入端口与外部信号输入线相连，模拟量输入电路的输出端口通过信号线连接至多路选择器的输入端口，多路选择器的输出端口通过信号线连接至滤波电路的输入端口，滤波电路的输出端口通过信号线连接至模数转换电路的输入端口，模数转换电路用于将模拟量输入信号转换为数字量信号，模数转换电路的输出端口通过信号线连接至隔离电路的输入端口，隔离电路的输出端口通过信号线连接至控制器的通用IO端口，控制器用于将模数转换电路转化后的数字量信号转化为串口信号输出，看门狗电路与控制器的复位端口相连；所述模拟量输出模块包括模拟量输出电路、数模转换电路、隔离电路、控制器、看门狗电路；模拟量输出电路用于同时输出多路模拟量信号，模拟量输出电路的输出端口与外部输出信号线相连，模拟量输出电路的电压输入端口通过信号线与数模转换电路的输出端口相连，数模转换电路用于将数字量信号转换为模拟量输出信号，数模转换电路的输入端口通过信号线与隔离电路的输出端口相连，隔离电路的输入端口通过信号线与控制器的IO端口相连，控制器用于将串口信号转化为数字量信号，看门狗电路与控制器的复位端口相连。

设计方案

1.一种多通道信号转换器，其特征在于：包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器和电源系统；

所述数字量输入模块和模拟量输入模块分别通过串口信号线与串口服务器相连；数字量输入模块用于同时采集多路数字量信号并转化为串口信号，模拟量输入模块用于同时采集多路模拟量信号并转化为串口信号；

所述数字量输出模块和模拟量输出模块分别通过串口信号线与串口服务器相连；数字量输出模块用于将串口信号转化为数字量输出信号，并同时输出多路数字量信号；模拟量输出模块用于将串口信号转化为模拟量信号，并同时输出多路模拟量信号；

所述串口服务器通过以太网线与以太网路由器相连，以将串口信号转换为以太网信号；

所述以太网路由器用于连接网络中串口服务器模块；

所述电源系统通过电源线与数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器相连，电源系统用于提供电力能源；

所述数字量输入模块包括数字量输入电路、隔离电路、控制器、看门狗电路；数字量输入电路用于同时采样多路数字量信号，支持开关触点信号和电平信号输入；数字量输入电路的输入端口连接外部输入信号线，数字量输入电路的输出端口通过信号线与隔离电路的输入端口相连，隔离电路的输出端口与控制器的通用IO端口相连，控制器用于将数字量信号转化为串口信号输出，看门狗电路与控制器的复位端口相连；

所述数字量输出模块包括数字量输出电路、隔离电路、控制器、看门狗电路；数字量输出电路用于同时输出多路数字量信号，数字量输出电路的输出端口连接外部信号输出线，数字量输出电路的输入端口通过信号线与隔离电路的输出端口相连，隔离电路的输入端口与控制器的通用IO端口相连，控制器用于将串口信号转化为数字量输出信号，看门狗电路与控制器的复位端口相连；

所述模拟量输入模块包括模拟量输入电路、多路选择器、滤波电路、模数转换电路、隔离电路、控制器、看门狗电路；模拟量输入电路用于同时采样多路模拟量信号，模拟量输入电路的输入接口支持差分输入和单端输入；模拟量输入电路的输入端口与外部信号输入线相连，模拟量输入电路的输出端口通过信号线连接至多路选择器的输入端口，多路选择器的输出端口通过信号线连接至滤波电路的输入端口，滤波电路的输出端口通过信号线连接至模数转换电路的输入端口，模数转换电路用于将模拟量输入信号转换为数字量信号，模数转换电路的输出端口通过信号线连接至隔离电路的输入端口，隔离电路的输出端口通过信号线连接至控制器的通用IO端口，控制器用于将模数转换电路转化后的数字量信号转化为串口信号输出，看门狗电路与控制器的复位端口相连；

所述模拟量输出模块包括模拟量输出电路、数模转换电路、隔离电路、控制器、看门狗电路；模拟量输出电路用于同时输出多路模拟量信号，模拟量输出电路的输出端口与外部输出信号线相连，模拟量输出电路的电压输入端口通过信号线与数模转换电路的输出端口相连，数模转换电路用于将数字量信号转换为模拟量输出信号，数模转换电路的输入端口通过信号线与隔离电路的输出端口相连，隔离电路的输入端口通过信号线与控制器的IO端口相连，控制器用于将串口信号转化为数字量信号，看门狗电路与控制器的复位端口相连。

2.如权利要求1所述的一种多通道信号转换器，其特征在于：模拟量输出电路支持的电流输出为4～20mA。

3.如权利要求1所述的一种多通道信号转换器，其特征在于：所述电源系统包括交流直流转换电路和直流降压电路；交流直流转换电路的输入端口通过电源线与220V交流电相连，交流直流转换电路的输出端口通过电源线与直流降压电路的输入端口相连，直流降压电路的输出端口通过电源线分别与数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器的直流电源输入端口相连。

4.如权利要求1所述的一种多通道信号转换器，其特征在于：所述串口信号采用RS232、RS485或RS422信号。

5.如权利要求1所述的一种多通道信号转换器，其特征在于：所述以太网路由器为多口有线路由器，接口为千兆级以太网接口。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及属于数据采集技术领域，尤其涉及一种多通道信号转换器。

背景技术

海洋约占地球面积的三分之二，是地球上最大的碳库，在调节地球气候变化的工程中扮演着极其重要的角色。海洋生物中，除了人们日常见到的鱼、虾、贝、藻，还有数量极大的微型生物。这些微小的生物时时刻刻影响着海洋的生态系统，进而影响着全球的气候变化。

海洋微型生物的检测和研究除了日常的现场科学考察采样外，实验室的大型模拟体系实验也是一个重要的科学研究手段。大型模拟体系实验具备现场研究缺乏的可控条件，可以进行温度、光照、营养盐等环境因子的调控，进而观测微型生物对环境因子的响应机制，是科学家进一步深刻认识微型生物生理过程机制的重要手段。在体系观测过程中主要依靠各类传感器进行在线监测获取数据，当前传感器种类繁多、数据输出接口多样，不同传感器采用不同的工业标准接口，这些都给科研工作造成了极大的不便。

因此如何将数据信号转化为统一的信号格式，便于数据采集、传输与汇聚成为当前工作的关键。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种多通道信号转换器,结构合理，运行稳定，接口丰富，功能完备，高度集成化。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多通道信号转换器，包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器和电源系统；

所述串口服务器通过以太网线与以太网路由器相连，以将串口信号转换为以太网信号；

所述以太网路由器用于连接网络中串口服务器模块；

所述电源系统通过电源线与数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器相连，电源系统用于提供电力能源。

所述模拟量输入模块包括模拟量输入电路、多路选择器、滤波电路、模数转换电路(ADC)、隔离电路、控制器、看门狗电路；模拟量输入电路用于同时采样多路模拟量信号，模拟量输入电路的输入接口支持差分输入和单端输入；模拟量输入电路的输入端口与外部信号输入线相连，模拟量输入电路的输出端口通过信号线连接至多路选择器的输入端口，多路选择器的输出端口通过信号线连接至滤波电路的输入端口，滤波电路的输出端口通过信号线连接至模数转换电路的输入端口，模数转换电路用于将模拟量输入信号转换为数字量信号，模数转换电路的输出端口通过信号线连接至隔离电路的输入端口，隔离电路的输出端口通过信号线连接至控制器的通用IO端口，控制器用于将模数转换电路转化后的数字量信号转化为串口信号输出，看门狗电路与控制器的复位端口相连。

所述模拟量输出模块包括模拟量输出电路、数模转换电路(DAC)、隔离电路、控制器、看门狗电路；模拟量输出电路用于同时输出多路模拟量信号，模拟量输出电路的输出端口与外部输出信号线相连，模拟量输出电路的电压输入端口通过信号线与数模转换电路的输出端口相连，数模转换电路用于将数字量信号转换为模拟量输出信号，数模转换电路的输入端口通过信号线与隔离电路的输出端口相连，隔离电路的输入端口通过信号线与控制器的IO端口相连，控制器用于将串口信号转化为数字量信号，看门狗电路与控制器的复位端口相连。

模拟量输出电路支持的电流输出为4～20mA。

所述电源系统包括交流直流转换电路和直流降压电路；交流直流转换电路的输入端口通过电源线与220V交流电相连，交流直流转换电路的输出端口通过电源线与直流降压电路的输入端口相连，直流降压电路的输出端口通过电源线分别与数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器的直流电源输入端口相连。

所述串口信号采用RS232、RS485或RS422信号。

所述以太网路由器为多口有线路由器，接口为千兆级以太网接口。

本实用新型中，所述数字量输入模块可以同时采集多路数字量信号；所述数字量输出模块具有多路数字量输出功能，用以直接控制小功率开关设备；所述模拟量输入模块可以同时采集多路模拟量信号；所述模拟量输出模块可以同步输出多路模拟量信号；所述串口服务器模块可以将串口信号转换为以太网信号进行透明传输；所述以太网路由器用于连接网络中串口服务器模块；所述电源系统用于提供电力能源。

相对于现有技术，本实用新型技术方案取得的有益效果是：

本实用新型结构合理简单，运行稳定，功能丰富，维护简易，具备高度的集成化，可在海洋大型模拟实验体系中用于对多路传感器数据的采集以及体系中结构单元的控制，实现海洋大型模拟实验体系的高效在线观测和控制。

本实用新型可将目前工业标准的数据接口信号转换为以太网信号，支持不同种类、型号的传感器数据信号采集，是以物联网技术为核心，结合信息技术、软件工程形成的一套完整信号转换传输系统。

本实用新型有利于在模拟实验体系中建立快速、高效的数据采集、传输系统，保证对大型水体模拟体系观测的可靠、准确和高效。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为数字量输入的结构示意图；

图3为数字量输出的结构示意图；

图4为模拟量输入的结构示意图；

图5为模拟量输出的结构示意图；

图6为电源系统的结构示意图。

附图标注：数字量输入模块1，数字量输出模块2，模拟量输入模块3，模拟量输出模块4，串口服务器5，以太网路由器6，电源系统7，数字量输入电路8，隔离电路9，控制器10，看门狗电路11，数字量输出电路12，隔离电路13，控制器14，看门狗电路15，模拟量输入电路16，多路选择器17，滤波电路18，模数转换电路19，隔离电路20，控制器21，看门狗电路22，模拟量输出电路23，数模转换电路24，隔离电路25，控制器26，看门狗电路27，交流直流转换电路28，直流降压电路29。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型包括数字量输入模块1、数字量输出模块2、模拟量输入模块3、模拟量输出模块4、串口服务器5、以太网路由器6、电源系统7。

所述数字量输入模块1和模拟量输入模块3分别通过串口信号线与串口服务器5相连；数字量输入模块1用于同时采集多路数字量信号并转化为串口信号，模拟量输入模块3用于同时采集多路模拟量信号并转化为串口信号。

所述数字量输出模块2和模拟量输出模块4分别通过串口信号线与串口服务器5相连；数字量输出模块2用于将串口信号转化为数字量输出信号，并同时输出多路数字量信号；模拟量输出模块4用于将串口信号转化为模拟量信号，并同时输出多路模拟量信号。

所述串口服务器5通过以太网线与以太网路由器6相连，以将串口信号转换为以太网信号；串口服务器5具备串口转网络功能，能够将串口信号转换成TCP\/IP网络信号，实现串口与网络接口的数据双向透明传输。

本实用新型中，所述串口信号采用RS232、RS485或RS422信号。

所述以太网路由器6用于连接网络中串口服务器5模块，以太网路由器6为多口有线路由器，接口为千兆级以太网接口，路由器支持内\/外网攻击防护功能，可以有效防范各种常见的网络攻击行为；同时路由器支持IP与MAC地址绑定功能。

所述电源系统7通过电源线与数字量输入模块1、数字量输出模块2、模拟量输入模块3、模拟量输出模块4、串口服务器5、以太网路由器6相连，电源系统7用于提供电力能源。

如图2所示，所述数字量输入模块1包括数字量输入电路8、隔离电路9、控制器10、看门狗电路11；数字量输入电路8的输入端口连接外部输入信号线，数字量输入电路8的输出端口通过信号线与隔离电路9的输入端口相连，隔离电路9的输出端口与控制器10的通用IO端口相连，看门狗电路11与控制器10的复位端口相连；

其中，数字量输入电路8用于同时采样多路数字量信号，支持开关触点信号和电平信号输入；隔离电路9在数字量输入电路8与控制器10之间形成光电隔离，并对输入信号进行滤波措施，降低工业现场干扰对控制器10正常运行的影响，提高模块运行的可靠性；控制器10以微型处理器为基础，运行嵌入式软件，将数字量信号转化为串口信号输出；看门狗电路11防止系统宕机，在系统宕机状态下，看门狗触犯控制器10重新启动。

如图3所示，所述数字量输出模块2包括数字量输出电路12、隔离电路13、控制器14、看门狗电路15；数字量输出电路12的输出端口连接外部信号输出线，数字量输出电路12的输入端口通过信号线与隔离电路13的输出端口相连，隔离电路13的输入端口与控制器14的通用IO端口相连，看门狗电路15与控制器14的复位端口相连；

其中，数字量输出电路12用于同时输出多路数字量信号，数字量输出电路12为集电极开漏输出；隔离电路13在控制器与数字量输出电路12之间形成光电隔离；控制器14以微型处理器为基础，运行嵌入式软件，将串口信号转化为数字量输出信号；系统宕机状态下，看门狗触发控制器14重新启动。

如图4所示，所述模拟量输入模块3包括模拟量输入电路16、多路选择器17、滤波电路18、模数转换电路19、隔离电路20、控制器21、看门狗电路22；模拟量输入电路16的输入端口与外部信号输入线相连，模拟量输入电路16的输出端口通过信号线连接至多路选择器17的输入端口，多路选择器17的输出端口通过信号线连接至滤波电路18的输入端口，滤波电路18的输出端口通过信号线连接至模数转换电路19的输入端口，模数转换电路19的输出端口通过信号线连接至隔离电路20的输入端口，隔离电路20的输出端口通过信号线连接至控制器21的通用IO端口，看门狗电路22与控制器21的复位端口相连；

其中，模拟量输入电路16用于同时采样多路模拟量信号，模拟量输入电路16的输入接口支持差分输入和单端输入；多路选择器17在多路输入信号中依次选择一路信号进行采样；滤波电路18完成对信号的抗混叠滤波处理；模数转换电路19具备较高的分辨率、采样精度和采样速率，模数转换电路19用于将模拟量输入信号转换为数字量信号；隔离电路20在控制器21与模数转换电路19之间形成光电隔离；控制器21以微型处理器为基础，运行嵌入式软件，处理模数转换电路19转换后的数字量信号并将其转化为串口信号输出；在系统宕机状态下，看门狗触发控制器21重新启动。

如图5所示，所述模拟量输出模块4包括模拟量输出电路23、数模转换电路24、隔离电路25、控制器26、看门狗电路27；模拟量输出电路23的输出端口与外部输出信号线相连，模拟量输出电路23的电压输入端口通过信号线与数模转换电路24的输出端口相连，数模转换电路24的输入端口通过信号线与隔离电路25的输出端口相连，隔离电路25的输入端口通过信号线与控制器26的IO端口相连，看门狗电路27与控制器26的复位端口相连；

其中，模拟量输出电路23用于同时输出多路模拟量信号，模拟量输出支持电压和电流输出两种类型，模拟量输出电路23支持的电流输出为4～20mA；数模转换电路24具备较高的分辨率、采样精度，其输出斜率可配置，数模转换电路24用于将数字量信号转换为模拟量输出信号；隔离电路25在控制器26与数模转换电路24之间形成光电隔离；控制器26以微型处理器为基础，运行嵌入式软件，将串口信号转化为数字量信号；在系统宕机状态下，看门狗触发控制器26重新启动。

如图6所示，所述电源系统7包括交流直流转换电路28和直流降压电路29；交流直流转换电路28的输入端口通过电源线与220V交流电相连，以将220V市电交流电压转化为直流电压信号，交流直流转换电路28的输出端口通过电源线与直流降压电路29的输入端口相连，直流降压电路29的输出端口通过电源线分别与数字量输入模块1、数字量输出模块2、模拟量输入模块3、模拟量输出模块4、串口服务器5、以太网路由器6的直流电源输入端口相连，以将直流电压信号转化为各个模块工作所需的直流电压。

本实用新型集成数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、串口服务器、以太网路由器和电源系统，可用于海洋研究中的大型水体模拟实验，支持目前工业界主流标准通讯接口的数据传输，适合不同类型传感器的数据采集。另外，本实用新型结构合理简单，运行稳定，功能丰富，具备高度的集成化，极大地提高了海洋大型模拟实验体系的在线观测效率。

设计图

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主设计要求

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